JP4699664B2 - フィルタ・バンクを用いた関数のピーク位置決め方法ならびに装置 - Google Patents

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は一般的にディジタル・フィルタ処理に関する。更に詳細には、本発明は多重分解度（マルチプル・レゾルーション）技術を用いて信号関数のピークを決定するための方法および装置に関する。
【０００２】
（背景技術）
一般的に、地上式ディジタル・セルラ移動ネットワークのようなアプリケーションにおいて、固定ネットワークではそのシステム内での移動体の位置を決定することが必要である。移動体の基地局との相対的な位置を知ることにより、ネットワークはその移動体の他の基地局へのハンドオフを調整することが可能であり、これによりその移動体がネットワークおよびセルの間を移動する際に信号強度と分解度（能）とが維持される。典型的に、そのようなシステムは基地局グループによる三角測量法を通して位置を決定し、これらの基地局はそのセルラ範囲内で移動体の到着時間を連続的に測定している。そのようなシステムは通常受信信号波関数内でのピークを測定し、それらのピークに基づいて到着時間を推定している。
【０００３】
以前は、信号関数のピーク位置決めを行う作業は各々の信号を網羅的にサンプリングすることで解決されていた。関心対象領域内で動作する補間回路又は内挿器は、関数の位置決めを試行するためにランダムまたは間隔位相点毎にサンプリングする。例えば、ＩＳ−１３６ディジタル・セルラ規格の下では、同期相関の出力はサンプリング周期Ｔ_s＝５．１４４μ秒で得られる。システムが移動体ユニットの位置決めを試みる際、移動体の範囲を９ｍの分解度で測定するためには、この相関関数のピークが３０ｎ秒の精度で推定される必要がある。従って所望の分解度に対するサンプリングの比率はおよそ１７２である。標準的技術は関心対象領域内で相関関数を１７２の係数で内挿し、続いて内挿出力の最大値を決定する必要があるであろう。
【０００４】
離散関数の最大化は典型的に検索（サーチ）手順を必要とする。従来技術では、この検索手順は補間回路の全ての出力に対して実施され、本質的に所望の解像度でサンプリングされた関数を内挿（補間）することを含む。特別な実施事例として、線形、二次式またはその他の多項式適合補間回路が含まれる。
【０００５】
しかしながらこれらの解は複雑であり、比較的少ない数のピークの位置決めを行うために、システムは関連の無い多数のデータ点を処理する必要がある。これは信号ピークの検出を必要とする全てのシステム内の速度、処理用資源および電力を犠牲とする。特にセルラ・ネットワークでは、多数の移動体ユニット上で多数の計算が必要とされる、そのような非効率性はシステムの隘路（ボトルネック）となり、セルラ・サービスに影響を与えるに違いない。
【０００６】
（発明の開示）
関連技術の制限および欠点に基づく上記の問題の１つまたは幾つかを解決するため、本発明は多重分解度技術を用いた信号関数のピークを位置決めするための方法および装置である。この技術は推定されたピークの所望の精度が関数のサンプリング周期の小部分（fraction）である時に有用である。
【０００７】
本発明は、予め定められた計算間隔を用いて当該関数の１組の計算出力点を与えるステップを含む方法の中で実施される。次にその組の最大出力点が決定され、その関数の出力点がその最大値の領域内のみで内挿される。内挿された出力点の最大値は、その関数のピークに接近する。これはその関数がピークの所望の分解度よりもかなり低いサンプリング周波数で得られる場合に、関数のピークの高精度検出を可能とする。
【０００８】
本発明の別の特徴として、少なくとも１つのディジタル・フィルタを使用した、関数のピークに接近するための方法が提供される。このディジタル・フィルタはその関数上で複数のフィルタ係数と共に動作する。この方法は、均等な間隔を取られている関数出力点の第１の組を準備して、第１最大出力点を決定するステップを含む。次に第１最大出力点直近の複数の出力点が選択されて、隣接する出力点が第１最大出力点を囲む第１位相領域を定めるようにする。次に、第１位相領域に沿った第１最大出力点を囲む出力点の第２組がサンプリングされ、出力点の第２組の第２最大出力点が決定される。次に第２組の隣接する出力点が選択されて、第２最大出力点の周りに第２位相領域を定める。次に第２位相領域に沿った第２最大出力点を囲む出力点の第３組がサンプリングされ、第３最大出力点が決定される。これらの反復操作を通して、決定された最大値が真のピークの領域に近づき始める。この関数からの出力は、種々の位相でのサンプリング点に対してフィルタ係数を変更することにより得られる。
【０００９】
本発明の更に別の特徴として、相関関数波形のピーク位置決め方法が提供される。この方法は、フィルタ・バンクのシフトレジスタに、１つの入力サンプリング周期で計算された相関の第１組をロードするステップを含む。次に第１最大相関値が相関の第１組から検出される。続いてフィルタ係数が更新されて、相関の第１組から位相をシフトされた相関の第２組を得る。相関の第２組は入力サンプリング周期よりも短い周期を有し、第１最大相関値の近くに配置されている。最後に、第２最大相関値が相関の第２組から検出される。この第２最大相関値は先に検出された第１最大相関値よりも関数のピーク推定を改善している。
【００１０】
本発明の更に別の特徴として、ディジタル・フィルタ・バンクを用いて相関関数のピーク位置決めをする方法が提供される。この方法は、均等な第１間隔で最初に計算された相関の第１組から第１最大相関値を検出するステップを含む。次にフィルタの係数が変更されて、相関の第１組から位相をシフトされた相関の第２組が得られる。相関のこの第２組はより小さな第２間隔で離されており、第１最大相関値の近くに存在する。次に第２最大相関値が相関の第２組から検出される。この第２最大値は関数のピークに近づき始め、次にこの方法のステップは漸進的により小さな間隔の間の隣接する位相内でのみ反復計算を行うように繰り返される。
【００１１】
本発明は更に、出力値を計算するように当該関数上で動作する複数の相互接続されたディジタル・フィルタと、これらのディジタル・フィルタと通信を行う少なくとも１つの制御ユニットとを含む装置内で実施される。この制御ユニットはフィルタの出力を制御し、出力値の第１最大値を選択する。制御ユニットは第１最大値を取り囲む出力値を漸進的に内挿し、内挿出力値がピークに近づいているか判定することを可能とする。
【００１２】
従って、本発明は関心対象領域内でのみ高分解度を使用して、信号のピークの位置決めを行うことを可能とする。この手法は典型的に最大値の位置決めに使用される内挿処理手順の複雑さを軽減するという特長を有する。特定の位相領域内にのみ集中することにより、関数全体を網羅的にランダムにサンプリングする必要が無くなる。更に、関数内の点を内挿するためのフィルタ・バンク、および内挿された最大値サンプルを隔離するための制御ユニットの結合装置は、最大値計算を実行するために必要なハードウェア、電力および時間を簡略化する。
【００１３】
此処で説明する特定の実施例は、推定されるピークの所望の精度が関数のサンプリング周期より小さな端数となる任意のシステムで使用されるものである。例えば、この手法はセルラ・システム内の移動体の位置決めのようなアプリケーションの中で実施される。
【００１４】
先の一般的説明および以下の詳細な説明は共に典型例であり説明的なものであって、本発明の更なる説明は特許請求項の中に与えられているものと意図している。
【００１５】
本発明は、更に別の目的および付随する特長と共に以下の詳細な説明を添付図と共に参照することにより最も良く理解されるであろう。
【００１６】
（発明を実施するための最良の形態）
好適な実施例の装置は好適に、多重速度（マルチ・レート）フィルタ・バンクを実現するために使用される適応フィルタを含む。フィルタの係数は複数回更新できる。係数を更新した後に出力のクロックを進めることで、出力信号の異なる位相が与えられる。制御ユニットはフィルタ・バンクにフィルタ係数をロードし、入力サンプルの速度ならびに所望の速度でフィルタのインパルス応答のサンプルを評価するために具備されている。
【００１７】
装置の好適な実施例の図式的表現を示すブロック図が図１に示されている。図に示されるように装置１０は、複数の遅延要素１３を含む単一フィルタ１２を含む。フィルタ・バンク１２は好適に複数のシフトレジスタ１４と乗算器１６を含む。乗算器１６は複数の可変フィルタ係数ｃ_kを用いて受信信号に作用し、回路１８を経由して制御ユニット２０に連結されている。フィルタ・バンク１２は従来型形式を使用して実現される（クロキーレ（Crochiere）およびラビナー（Rabiner）著「マルチレートディジタル信号処理」参照）。これに代わって、シフトレジスタを有する多重フィルタも使用できる。これらは順に複数の固定係数を有する。好適な実施例ではフィルタ・バンク１２は、種々の製造者、例えばテキサス・インスツルメンツ社から購入可能な注文特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を用いて実現出来る。これらの実現例は例として示すのみであり、これらに制限する意図はない。従って、当業者は此処に指定するものとは別の構成部品と置き換えることが可能であろう。
【００１８】
提案されているフィルタ・バンク１２はハードウェアまたはソフトウェアのいずれで実現することも可能であり、本発明の特徴を制限するものではない。関心対象となるウィンドウに対して値を生成する相関器は、内挿を行う前に公称サンプリング速度での相関操作をスケジュールするために、適応フィルタ・バンクと結合されている。
【００１９】
制御ユニット２０はマイクロプロセッサ、論理回路、その他の回路または此処に説明されている機能およびステップを一般的に実行するように実現されたソフトウェアを含んでいても構わない。好適な実施例では、例として示す制御ユニットは、関連するメモリおよびクロック回路を具備したアドバンスト・リスク・マシン（Advanced Risc Machine）社製のＡＲＭマイクロプロセッサ・モデル７１００を含む。好適に、制御ユニット２０はストアされたプログラムを符号化する能力を有し、ハードウェア・マシン・アーキテクチャ内で定義されるように、汎用目的コンピュータとして動作可能である。ＡＲＭのコア部分は、種々の提供者、例えばテキサス・インスツルメンツ社からのＡＳＩＣの構成部品ブロックとして集積するために利用できる。先に延べたように、これらの構成部品は本発明を制限する意図はなく、その他の構成部品で置き換えることの可能である。
【００２０】
回路への入力ｕは、受信信号を移動体ユニット（図示せず）のような発信源から受信された同期波形シーケンスと相関を取った出力である。入力は固定ウィンドウに対して事前計算され、フィルタ・バンク１２のシフトレジスタは事前ロードされ、制御ユニット２０で計算された相関値で順に配列されている。好適な実施例において、遅延ｚ^-1は入力サンプリング周期を表している。
【００２１】
図２は図１に示すシステム１０の中で使用される計算の進行を示す。図に示されるように、実現例では計算される位相の間隔を効率的に取っているので、ピークが所望の分解度で短時間に、かつ少ない消費電力で決定される。
【００２２】
一般的に、フィルタ・バンクを各々活性化させることは内挿相関波形f(n)の異なる位相を発生させることに相当する。１つの可能な実現方法として、フィルタ・バンクの各々の活性化は、多相フィルタ構造の１つの特定腕を指定し選択するためにコミュテータ（commutator）の向きを決めることとして実現される。
【００２３】
図２に示される矢印には、各反復操作での関心対象の位相ラベルが付けられている。最初、「０」とラベル付けされた３つの位相が有り、それらの間に真の最大値が横たわっているはずである。反復操作１で、制御ユニットは「１」とラベル付けされた位相でフィルタ・バンクの出力の計算を実行させる。これらの位相の位置は関心対象間隔内の何処かであって、ピークと２つの隣接するサンプルとで定められる領域の対称に二分したものとして簡単に選択することが出来る。フィボナッチ（Fibonacci）数列の黄金分割法に基づく二分法の別の技術も同様に採用できる（クヌッス（Knuth）著「コンピュータ・プログラムの技術：検索および並べ替え」参照）。
【００２４】
各反復操作において、その点で計算されたピークの位置は次回計算用の関心対象の位相を決定するために使用される。関心対象の位相を決定するために使用される規則は、これらの位相が現在の最大値の両側に無ければならないというものである。反復操作の３では、関心対象の領域は「０」とラベルを付けられた中心点と、「０」の両側にある「２」とラベルを付けられた２つの点で定義されるが、それは現在のピークが未だ点「０」に有るからである。関心対象の位相、「３」とラベルを付けられた点、は従って２つの領域の二分点である。これらの値は反復操作３の期間中に計算される。反復操作３の後、制御ユニット２０は中心点「０」の左の「３」とラベルを付けられた点が、現在のピークであると決定する。次回反復操作での関心対象領域が、次に「３」とラベルを付けられた点の両側に有る２つの最も近い既知の点で定義され、これらの既知の点は、この場合は左側の点「２」と中心点「０」である。これに続く反復操作では新たに定義された領域の二分点を使用する。反復処理は所望の精度に達するまで継続される。
【００２５】
図３は本発明の方法を流れ図として図示している。図のボックス３０に先の図と関連して示されているように、関数の初期ローディングからの相関出力が予めセットされた間隔で好適にサンプリングされる。複数の点からなるこの組から、制御ユニット２０は最大点を決定する。次に制御ユニットはこの最大値に「現在最大値（Current Maximum）」または「ＣＭ」とラベルを付け、それを取り囲む計算された関数出力点に「ＣＬ」および「ＣＲ」とラベルを付ける。このステップはボックス３２に示されている。
【００２６】
制御ユニットはボックス３４で、ＣＬとＣＭの間の間隔を二分する間隔点と、ＣＭとＣＲの間の間隔を二分する中間点とを決定する。点ＣＭ周りのこの二分割は、関心対象の位相を点ＰＬ（ＣＬとＣＭの間）とＰＲ（ＣＭとＣＲの間）に生成する。好適に、制御ユニット２０は次にフィルタ１２をリセットして新たな係数を更新し、点ＰＬおよびＰＲでの相関関数の内挿出力を計算するようにフィルタ・バンク１２を動作させる。このステップはボックス３６に示されている。
【００２７】
ＰＬおよびＰＲの内挿の結果は、次に接続１８を経由して制御ユニット２０に戻され、この制御ユニットはボックス３８−４６内に示されるロジックを用いて関心対象の点および位相をリセットする。流れ図に示されるように、点ＰＬに関して計算された値がＣＭの値よりも大きい場合、これらの点はリセットされてＣＬとＣＭの間の関心対象の新たな位相を定義する。特に、ＣＭはＣＲを示すようにリセットされ、ＰＬはＣＭを示すようにリセットされ、またＣＬは不変のまま残される、これらはボックス４０に示される通りである。このリセット操作の後、処理過程はボックス３４から繰り返されて、更に関心対象の新たな位相を分割し新たな点ＰＬおよびＰＲで内挿を行う。
【００２８】
ボックス４２に示されるように、点ＰＬに対して計算された値がＣＭよりも大きくなく、またＰＲに対する値がＣＭよりも大きい場合、関心対象の新たな位相は関数波形上でＣＭとＰＲの間に定義される。ボックス４４は、ＣＭがＣＬを示すようにリセットされ、ＰＲがＣＭを示すようにリセットされ、そしてＣＲは不変のまま残されることを示している。ボックス４０と同様、この処理過程は次にボックス３４から繰り返されて、関心対象の新たな位相範囲内で新たに二分割された位相点ＰＬおよびＰＲを内挿する。
【００２９】
ボックス４４でＰＲもＰＬもいずれもＣＭより大きくなかった場合、ＣＭは現在最大値として残る。ＣＭがその関数の最大値であることを可能な最も高い分解度で検証するために、関心対象の新たな位相がＣＭの周りでより近い点を調べるために、ボックス４６で定義される。特に、関心対象の新たな位相は点ＣＭを中心として、ＣＬとＣＭおよびＣＭとＣＲの間の位相をより狭く分割して引かれる。ボックス４６で示されるように、位相点ＰＬはＣＬを示すように変更され、位相点ＰＲはＣＲを示すように変更される。ＣＭはこの時点では不変のまま残される。指示が変更された後、処理過程はボックス３４に戻り、更なる内挿が新たな狭い位相上で実行される。
【００３０】
上記の条件の全てにおいて、処理過程は所望の分解度および最大値に達するまで二分検索法で継続される。位相は継続的に二分割されるか、またはその他の方法で反復処理過程が最大値の領域に焦点が合わされるように分割される。
【００３１】
従って本発明は、最大化と内挿処理手順を単一の装置または方法に結合して、内挿が実際に行われる点の数を削減している。本発明の装置および方法によれば、反復処理過程の複雑さは必要な反復が削減されるためＯ（ｎ）からＯ（ｌｏｇ ｎ）に低減される。従って、本発明は全関数曲線に沿った点を内挿するために必要な資源を浪費すること無く、更に精密な内挿を可能とする。
【００３２】
先に延べたように、本発明が意図している第１のアプリケーションは位置決めシステムであり、ネットワーク内での移動体ユニットの位置決めを可能とするようにディジタル・セルラ・ネットワーク内で使用されるようなものである。そのようなアプリケーションでは、相関信号は移動局から受信された信号を同期を取られたシステム・シーケンスと共に相関を取ることで生成される。相関信号のピーク位置を決定することにより、移動体への距離が個々のセルラ基地局において高分解度で決定できる。その他の基地局で実施された計算と組み合わせて三角法を通して、移動体の位置は典型的に現在の連邦規制で要求されるような、高い分解度で決定できる。
【００３３】
本発明が適用可能な種々のアプリケーションが存在することも注意しなければならない。１つのアプリケーションはパルス列の到着時刻の識別である。別のアプリケーションはスペクトル分析処理過程における処理信号のスペクトルのピーク識別があげられる。またピーク検出問題は一般関数のゼロまたたは最小値を推定する逆問題に変換することが可能であり、「ピーク」という用語を使用することは本発明の特徴を制限するものとは考えられない。一般的に本発明は関数最適値を非常に高い分解度で決定することを要求し、反復操作の回数を削減することで効率が上げられる全てのアプリケーションで適用可能である。
【００３４】
もちろん、先に説明した実施例に対して広い範囲での変更および修正を行えることは理解されたい。例えば、好適な実施例の一部または全てをソフトウェアまた同様にハードウェアで実現することができる。従って、先の詳細な説明は制限ではなくむしろ例示を意図したものであって、全ての等価なものを含む添付の特許請求の範囲が本発明の範囲を定めるものと意図していることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は本発明の好適な実施例で使用される適応フィルタ・バンクの図式図である。
【図２】 図２は本発明の反復方法を表すグラフ図である。
【図３】 図３は本発明の好適な方法のステップを示す流れ図である。

Claims (15)

1. 信号波形のピーク値を決定する方法であって、
   前記信号波形の複数の出力点の第１の組を得ることと、前記第１の組の出力点における現在の最大出力点を決定することとを含み、更に、
   前記現在の最大出力点の両側に境界点を定めることと、前記境界点の間の領域を含むように前記選択領域を定めること、
   前記第１の組の出力点を反復的にフィルタリングして前記選択領域内の異なる位相で内挿された出力点を得ることと、
   各反復における前記内挿された出力点の値を前記現在の最大出力点の値と比較して、前記内挿された出力点の内の１つの値が現在の最大出力点の値よりも大であれば前記現在の最大出力点を更新することと、
   前記現在の最大出力点に基づいて各反復フィルタリングをするために前記選択領域を修正することと、を含み、
   前記現在の最大出力点に基づいて各反復フィルタリングをするために前記選択領域を修正することは、所与の反復で得られた全ての内挿出力点の値が現在の最大出力点よりも小であるならば少なくとも１つの境界点を前記現在の最大出力点に向けて移動することを含む、前記信号波形の前記ピークに現在の最大出力点が接近することを特徴とする方法。
2. 前記現在の最大出力点の両側に境界点を定めることは、前記現在の最大出力点に近接する前記第１の組の出力点の内の２つの出力点を同定することと、前記境界点を前記２つの出力点に等しく設定することとを含む、請求項１の方法。
3. 前記第１の組の出力点を反復的にフィルタリングして内挿された出力点を得ることは、前記反復の各々においてマルチフェーズデジタルフィルタにおいて前記第１の組の出力点をフィルタリングして前記第１の組の出力点に対して位相シフトされた内挿出力点を得ることを含む、請求項２の方法。
4. 前記反復の各々においてマルチフェーズデジタルフィルタにおいて前記第１の組の出力点をフィルタリングして前記第１の組の出力点に対して位相シフトされた内挿出力点を得ることは、１つ以上の異なる位相で前記第１の組みの出力点をフィルタリングすることにより前記現在の最大出力点の両側に内挿された出力点を得ることを含む、請求項３の方法。
5. 前記第１の組の出力点を反復的にフィルタリングして内挿された出力点を得ることは、各反復に関して１つ以上の位相を決定して前記マルチフェーズデジタルフィルタのための係数を所望位相に対応して決定することを含む、請求項４の方法。
6. 前記反復の各々に関して１つ以上の位相を決定することは、前記現在の最大出力点の両側において前記選択領域における点を選択して、選択点の位相を決定することを含む、請求項４の方法。
7. 前記内挿された出力点の内の１つの値が現在の最大出力点の値よりも大であれば前記現在の最大出力点を更新することは、現在の最大出力点より大の値を持つ内挿出力を新たな現在の最大出力点として定めることを含む、請求項３の方法。
8. 少なくとも１つの境界点を前記現在の最大出力点に向けて移動することは、前記選択領域の少なくとも１つの境界点を前記内挿出力点の１つに設定することを含む、請求項１の方法。
9. 前記現在の最大出力点に基づいて各反復フィルタリングをするために前記選択領域を修正することは、所与の反復で得られた全ての内挿出力点の値が現在の最大出力点よりも小であるならば前記選択領域の１つの境界点を更新の前の現在の最大出力点に設定することを含む、請求項１の方法。
10. 前記第１の組の出力点を反復的にフィルタリングして内挿された出力点を得ることは、各反復においてマルチフェーズデジタルフィルタで前記第１の組の出力点をフィルタリングして該第１の組の出力点に対して位相シフトされた内挿点を得ることを含む、請求項１の方法。
11. 前記反復の各々においてマルチフェーズデジタルフィルタで前記第１の組の出力点をフィルタリングして内挿された出力点を得ることは、１つ以上の異なる位相で前記第１の組の出力点をフィルタリングして前記現在の最大出力点の両側における内挿出力点を得ることを含む、請求項１０の方法。
12. 前記第１の組の出力点を反復的にフィルタリングして内挿出力点を得ることは、各反復のための１つ以上の位相を決定して前記マルチフェーズデジタルフィルタのための係数を所望位相と対応して決定することを含む、請求項１１の方法。
13. 前記反復の各々のための１つ以上の位相を決定することは、前記現在の最大出力点の両側において前記選択領域における点を選択して、選択点の位相を決定することを含む、請求項１２の方法。
14. 前記信号波形のための第１の組みの出力点を得ることは、所望のサンプリングレートで信号波形の相関サンプルを発生することを含む、請求項１の方法。
15. 前記信号波形のための第１の組みの出力点を得ることは、所定サンプリングレートで信号波形をサンプリングすることを含む、請求項１４の方法。

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